專利名稱：一種夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板材激光熱成形的方法，可抑制板材熱成形所發(fā)生的“邊界效應(yīng)”，提高激光熱成形的精度，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
板材激光熱成形技術(shù)作為一種新的板材成形工藝方法，將激光技術(shù)引入到塑性成形技術(shù)中，利用高能激光束局部加熱材料表面，誘發(fā)不均勻熱應(yīng)力，使材料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需目標(biāo)形狀。與沖壓成形等傳統(tǒng)冷成形工藝相比，激光熱成形具有無需模具和外力、柔性大、生產(chǎn)周期短、特別適合于多品種、小批量、高硬度、高脆性等難成形材料成形的優(yōu)點。激光熱成形不僅能夠完成板材的彎曲、卷曲、淺拉伸等工藝，還可進(jìn)行曲板的反彎曲、校平或卷板的開卷，以及方管或圓管的彎曲、縮口、脹形等。對于航空航天、醫(yī)療、微電子、家電等領(lǐng)域，具有重大的應(yīng)用前景。目前，激光熱成形研究主要以激光直線掃描為主。激光束沿著直線在板材表面進(jìn)行掃描，掃描結(jié)束后理想的變形是板材產(chǎn)生沿著掃描線均勻彎曲，而實際的彎曲角度沿著掃描線是不同的，如圖1(a)、(b)所示。這種彎曲角度沿著掃描線不一致的現(xiàn)象稱為“邊界效應(yīng)”?！斑吔缧?yīng)”現(xiàn)象的存在，嚴(yán)重影響了成形的精度，導(dǎo)致激光熱成形在航空、醫(yī)療、微電子等要求較高精度的場合的應(yīng)用受到限制。激光熱成形精度的指標(biāo)主要是彎曲角度α的變化率(彎曲角度差值除以平均彎曲角度)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有激光熱成形工藝的不足，發(fā)明了一種新型的激光熱成形加工工藝方法。該工藝保留原有加工工藝的優(yōu)點的同時，充分抑制“邊界效應(yīng)”，大大提高激光熱成形的精度。激光熱成形“邊界效應(yīng)”的原因主要是掃描線上的最高溫度分布不均勻和板材在掃描線方向的橫向約束不均，并且橫向約束不均勻是主導(dǎo)因素。因此，通過主動調(diào)整激光熱成形的溫度場分布，或改變板材在掃描線方向的橫向約束來抑制“邊界效應(yīng)”。由于受到板材熔點的限制，溫度場的調(diào)整范圍較小，對彎曲角度分布的調(diào)整能力有限，從而考慮改變板材的橫向約束。然而工件的幾何形狀是無法改變的，因此只能通過改變板材的夾持方式、夾持力來改變薄板所受到的幾何約束。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供了一種夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法，包括以下步驟步驟一、用工業(yè)酒精清潔板材的待掃描表面，在掃描區(qū)域均勻涂抹炭黑涂料以提高材料的能量吸收系數(shù)，并對板材掃描線兩側(cè)進(jìn)行打磨處理；其中所述掃描區(qū)域為掃描線兩側(cè)各5個光斑直徑的寬度內(nèi)的區(qū)域。
步驟二、將經(jīng)過步驟一處理的板材平放于工作臺面上，然后用包括左右兩個壓塊的夾具分別夾持在板材掃描線的起始兩端，其中壓塊與板材的接觸寬度范圍在5 10個板材厚度，壓塊上表面被設(shè)置為高于板材上表面I 2個板材厚度，夾持時左右壓塊同時約束在板材掃描線的兩端，夾持力大小相等，方向相反，兩壓塊沿著掃描線方向的投影完全一致，且掃描線位于壓塊的幾何中心，夾緊后板材的預(yù)變形量小于O. 1mm，板材仍保持水平，其中壓塊的寬度大于5個板材厚度，壓塊的厚度大于2個板材厚度，壓塊的長度大于10個板材厚度；壓塊的硬度大于板材的硬度。 步驟三、掃描時激光掃過整條掃描線，待板材完全冷卻后撤除夾具。在進(jìn)一步的實施例中，炭黑涂料的涂抹厚度為O. 2mm。在進(jìn)一步的實施例中，光斑直徑為6mm。在進(jìn)一步的實施例中，激光的掃描速度30mm/s。本發(fā)明提供了激光高精度熱成形的新加工方法，主要是利用主動調(diào)整板材的幾何約束，抑制“邊界效應(yīng)”，提高成形精度，與原技術(shù)相比，具有精度高和易于實現(xiàn)等特點?，F(xiàn)有技術(shù)采用單邊夾持的非對稱約束方式，如圖2，而本發(fā)明采用特定的夾持位置、夾持方式、夾具尺寸等，對夾持掃描線兩端的兩側(cè)夾持采用了對稱約束方式。從圖4和圖5中的對比試驗數(shù)據(jù)中可見，采用根據(jù)本發(fā)明的夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法，激光熱成形的用彎曲角度變化率由原來的15% 25%下降到2% 5%，具有極為顯著的技術(shù)效果。需要指出的是，本發(fā)明的方法中的這些設(shè)置和參數(shù)對于實現(xiàn)本發(fā)明的效果至關(guān)重要，且并非本領(lǐng)域的公知常識或常用手段。


圖I為“邊界效應(yīng)”示意圖。(a)為激光加熱成形理想狀態(tài)，彎曲角度α恒定不變，β為零，(b)為激光加熱成形實際情況，α沿著掃描線變化，β不為零。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中單邊夾持的示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的兩側(cè)夾持示意圖。圖4為60mmX60mmX2mm的ANSI304不銹鋼在單邊夾持、兩側(cè)夾持下的彎曲角度對比。圖5為40mmX40mmX2mm的ANSI304不銹鋼在單邊夾持、兩側(cè)夾持下的彎曲角度對比。
具體實施例方式板材的預(yù)處理包括檢查板材I表面質(zhì)量，確保板材無劃痕、預(yù)彎曲等缺陷；用工業(yè)酒精對板材的待掃描表面進(jìn)行清洗，防止雜質(zhì)影響能量吸收系數(shù)，降低熱成形的精度；確定掃描區(qū)域(一般為掃描線兩側(cè)各五個光斑直徑的寬度內(nèi)的區(qū)域)，然后在掃描區(qū)域均勻涂敷O. 2mm的炭黑涂層以提高材料能量吸收系數(shù)，并使涂層完全干燥；對掃描線兩端的板材側(cè)面進(jìn)行打磨，以利于夾具精確夾持。夾具的要求夾具包括左右兩個壓塊，并且1)壓塊的寬度大于等五個板材厚度，厚度大于兩個板材厚度，長度大于十個板材厚度；2)壓塊的硬度大于板材且接觸面光滑。兩側(cè)夾持的方式1)左右壓塊與板材的接觸寬度范圍在5 10個板材厚度，壓塊上表面被設(shè)置為高于板材上表面I 2個板材厚度；左右壓塊同時約束板材掃描線的兩端，夾持力大小相等，方向相反，夾緊后板材預(yù)變形應(yīng)小于O. Imm ；2)左右兩壓塊沿著掃描線方向的投影要完全一致，且掃描線要位于壓塊的幾何中心。實施例I :對幾何尺寸為60mmX 60mmX 2mm的ANSI304不銹鋼板材I進(jìn)行掃描，激光功率1000W，光斑直徑6mm，掃描速度30mm/s。對板材I采用根據(jù)本發(fā)明的兩側(cè)夾持的方式，用本發(fā)明要求的夾具2、夾持方式為約束板材掃描線3兩端，限制其在掃描線3方向的移動，如圖3所示；采用勻速度30mm/s從板材I 一端沿著掃描線3，完全掠過板材，待充分冷卻后，測量板材繞掃描線3的彎曲角度；為對根據(jù)本發(fā)明的兩側(cè)夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法的技術(shù)效果進(jìn)行驗證，用現(xiàn)有技術(shù)中的單邊夾持的方法進(jìn)行了對比試驗對板材I采用現(xiàn)有技術(shù)中的單邊夾持的方式，夾具夾持與掃描線3平行的一條自由邊，夾持深度為2 5mm，如圖2所示；采用勻速度30mm/s從板材I 一端沿著掃描線3，完全掠過板材1，待充分冷卻后，測量板材I繞掃描線3的彎曲角度；最終兩板材繞掃描線的彎曲角度如圖4所示，采用單邊夾持方法加工的板材的平均彎曲角度為1.87°，彎曲角度變化率(彎曲角度差除以平均彎曲角度，其值越小說明成形精度越高)為17.6% ;采用根據(jù)本發(fā)明的雙邊夾持方法加工的板材的平均彎曲角度為
2.00°，彎曲角度變化率下降至2. 06%。由此可見，根據(jù)本發(fā)明的兩側(cè)夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法不僅可以提高激光成形精度，還可以增大彎曲角度，提高激光熱成形的效率。實施例2 :對幾何尺寸為40mmX 40mmX 2mm的ANSI304不銹鋼板材I進(jìn)行掃描，激光功率1000W，光斑直徑6mm，掃描速度30mm/s。采用與實施例I相同的操作步驟，對板材I進(jìn)行加工。另外同樣采用現(xiàn)有技術(shù)中的單邊夾持的方法進(jìn)行了對比試驗。板材最終的彎曲角度如圖5所示。采用單邊夾持的板材的平均彎曲角度為
I.11°，彎曲角度變化率為25. 53% ;而采用根據(jù)本發(fā)明的雙邊夾持方法的板材的平均彎曲角度為I. 28°，彎曲角度變化率下降至4. 85%。實施例I和實施例2的試驗結(jié)果表明，對不同尺寸板材的激光熱成形，本發(fā)明的兩側(cè)夾持工藝也能抑制“邊界效應(yīng)”，提高激光熱成形精度和效率，具備普適性。
權(quán)利要求
1.ー種夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法，包括以下步驟 步驟一、用エ業(yè)酒精清潔板材的待掃描表面，在掃描區(qū)域均勻涂抹O. 2mm厚的炭黑涂料以提高材料的能量吸收系數(shù)，并對板材掃描線兩側(cè)進(jìn)行打磨處理；其中所述掃描區(qū)域為掃描線兩側(cè)各5個光斑直徑的寬度內(nèi)的區(qū)域。
步驟ニ、將經(jīng)過步驟ー處理的板材平放于工作臺面上，然后用包括左右兩個壓塊的夾具分別夾持在板材掃描線的起始兩端 ，其中壓塊與板材的接觸寬度范圍在5 10個板材厚度，壓塊上表面被設(shè)置為高于板材上表面I 2個板材厚度,夾持時左右兩個壓塊同時約束在板材掃描線的兩端，夾持カ大小相等，方向相反，兩壓塊沿著掃描線方向的投影完全一致，且掃描線位于壓塊的幾何中心，夾緊后板材的預(yù)變形量小于O. 1mm，板材仍保持水平，其中壓塊的寬度大于5個板材厚度，壓塊的厚度大于2個板材厚度，壓塊的長度大于10個板材厚度；壓塊的硬度大于板材的硬度。
步驟三、掃描時激光掃過整條掃描線，待板材完全冷卻后撤除夾具。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法，其中所述光斑直徑為Omm0
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法，其中所述激光的掃描速度 30mm/so
全文摘要
本發(fā)明提供了激光高精度熱成形的新加工方法，主要是利用主動調(diào)整板材的幾何約束，抑制“邊界效應(yīng)”，提高成形精度，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有精度高和易于實現(xiàn)等特點?，F(xiàn)有技術(shù)采用單邊夾持的非對稱約束方式，而本發(fā)明采用特定的夾持位置、夾持方式、夾具尺寸等對夾持掃描線兩端的兩側(cè)夾持采用了對稱約束方式。采用根據(jù)本發(fā)明的夾持板材進(jìn)行激光加熱成形的方法，激光熱成形的用彎曲角度變化率由原來的15％～25％下降到2％～5％。
文檔編號B29C53/80GK102632605SQ20121009786
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者黨東顯, 沈洪, 胡俊 申請人:上海交通大學(xué)